Os objetivos deste trabalho foram verificar a influência das taxas de aplicação superficial das zonas de separação e de contato e da concentração de micro bolhas de ar na eficiência da remoção de partículas em unidades de flotação aplicadas ao tratamento de água para abastecimento público e, caracterizar a estrutura de escoamento no interior da zona de separação, com a utilização de uma planta piloto de flotação por ar dissolvido. Os trabalhos relativos à pesquisa foram divididos em duas etapas: a primeira delas contemplou a operação de unidade piloto alimentada com água sintética, utilizando três valores de taxa de aplicação superficial na zona de separação associadas a duas taxas de aplicação superficial na zona de contato, cada qual com três concentrações de ar fornecido à flotação. Foram mantidos fixos os parâmetros: tempo de contato na zona de contato, tempo de floculação, gradiente médio de floculação e velocidade cross-flow. Os resultados desta etapa foram monitorados com base na eficiência de remoção de cor e turbidez. As maiores eficiências de remoção, 87,5% para turbidez e 96,8% de cor aparente foram obtidos para as menores taxas de aplicação superficial nas zonas de contato e separação estudadas, associadas à concentração de ar de 4,90 g/\'CM POT.3\' de água. Este, entre outros resultados, levou à conclusão de que tal concentração de ar fornecida à flotação forneceu sempre os menores residuais de cor e turbidez nas condições investigadas. Quanto à taxa de aplicação superficial na zona de contato, 136,3 m/h resultou em maiores eficiências de clarificação, sendo que o aumento para 172,8 m/h causou ligeira queda na eficiência. Finalmente, quanto à taxa de aplicação superficial na zona de separação, a menor taxa (9,8 m/h) foi aquela onde as maiores eficiências de clarificação foram obtidas, as quais decresceram à medida que a taxa foi aumentada. Na segunda etapa utilizou-se a sonda microADV na caracterização do escoamento no interior da zona de separação. Foram realizadas caracterizações para as três concentrações de ar fornecidas para a flotação estudadas na etapa I, mantendo-se fixos a taxa de aplicação superficial e o tempo na zona de contato (136,3 m/h e 53 s, respectivamente), a taxa de aplicação superficial na zona de separação (12,3 m/h), a vazão de entrada e a velocidade cross-flow, conforme a etapa I. Para as três condições estudadas, adotou-se uma malha virtual de coleta de dados de duas dimensões, composta por 98 pontos igualmente espaçados, sendo 14 na altura e 7 paralelos ao comprimento. O tempo de coleta de dados em cada ponto foi de 2 min com uma freqüência de amostragem de 50 Hz. Os vetores de velocidade resultantes foram plotados em esquemas ilustrativos, afim de se comparar os três perfis obtidos. Observou-se em todos os casos um fluxo em curto-circuito na região superior da zona de separação e logo abaixo desta, um fluxo descendente no sentido dos coletores ao fundo da unidade. Quando comparadas, apenas pequenas diferenças quanto à espessura da região de curto circuito superior foram verificadas entre as três situações abordadas, as quais não explicam as diferentes eficiências de clarificação obtidas na etapa I da pesquisa, relacionadas à concentração de ar fornecida à flotação. / The objectives of this study were to determine the influence of hydraulic surface loading of contact and separation zones and of the air micro bubbles concentration in the particle removal efficiency in flotation units applied to water treatment for public supply and also characterize the flow structure into the separation zone. The works were divided into two stages: the first included the operation of the pilot plant fed with synthetic water, using three values of hydraulic surface loadings in the separation zone associated with two hydraulic surface loadings in the superficial zone of contact, each one with three concentrations of air supplied to the flotation. Were kept fixed parameters: contact time in the contact zone, flocculation time, mean flocculation gradient and cross-flow velocity. The results of this step were monitored based on the removal efficiency of color and turbidity. The higher removal efficiencies, 87.5% of turbidity and 96.8% apparent color were obtained for the lower hydraulic surface loading of contact and separation zones studied, associated with air concentration of 4.90 g/\'CM POT.3\' of water. This, among other results, led to the conclusion that this air supplied to the flotation concentration always provided the lowest residual color and turbidity values, under the conditions investigated. As for the hydraulic surface loading in the contact zone, 136.3 m/h resulted in higher efficiencies for clarification and when increasing to 172.8 m/h slight drop in efficiency was caused. Finally, regarding separation zone hydraulic surface loading, the lowest rate (9.8 m/h) was the one in which the highest efficiencies of clarification were obtained, which decreased, as the hydraulic surface loading was increased. In the second step, the probe microADV was used to characterize the flow inside the separation zone. Characterizations were carried out for the three air concentrations supplied to the flotation studied on the first step, fixing contact zone hydraulic surface loading and time (136.3 m/h and 53 s, respectively), the separation zone hydraulic surface loading (12.3 m/h), the input flow and cross-flow velocity as step I. For the three conditions studied, we adopted a of two-dimensional virtual data collection grid with 98 equally spaced points, 14 in height and 7 parallel to the length. The data collection time at each point was 2 min with a sampling frequency of 50 Hz. The resulting velocity vectors were plotted on illustrative diagrams in order to compare the three profiles obtained. A short-circuit flow in the upper part of the separation zone and below this, a downward flow toward the bottom of the collector unit were observed in all cases. In comparison, only small differences in the thickness of the upper region of short circuit were observed between the three situations discussed, which do not explain the different efficiencies of clarification obtained in the first step of the research related to the air bubble concentration.

Non-invasive and fast flow measurement techniques have had increasing importance for the last decades. Scientists are looking for such quick techniques to be able to monitor real velocities without disturbing flow itself. Ultrasound Doppler velocimetry (UDV) being one of such techniques promising with advantages of getting simultaneous velocity measurements from several points and of applicability for opaque liquids as well. UDV is a technique which is still being developed for new applications and analysis of complex flows. In this study effect of sinusoidal oscillating, turbulent (random) and viscoelastic fluid motions on UDV signals were investigated theoretically and experimentally. Obtained mathematical relations for random and viscoelastic motions were utilized to get statistics of flow and distribution of relaxation spectrum, respectively. Analytical analysis and numerical simulation of sinusoidal oscillating flow depicted that there is a critical value for the ratio of oscillation amplitude to oscillation frequency for a specified set of measurement parameters of UDV. Above this critical value UDV is not successful to determine mean flow velocity. Mathematical relations between velocity probability density function (PDF) &ndash / velocity auto correlation function (ACF) and UDV signal spectrum were obtained in the analysis v of flow with random velocity. Comparison of velocity ACFs from direct velocity measurements and from raw in-phase (I) and quadrature (Q) signals through derived relation, revealed that time resolution of UDV technique is not enough for getting a good velocity ACF and thus turbulence spectrum. Using I and Q signals rather than measured velocities to get velocity ACF, increased the time resolution in the order of number of pulses used for getting one velocity value (Nprn). Velocity PDF obtained from UDV spectrum was compared with the one obtained from measured velocities with the assumption of Gaussian PDF. Both velocity PDFs were consistent. Also some parameters of pipe turbulence from literature were compared with the presented findings from velocity ACF obtained from I and Q signals through derived relation. Results showed good compatibility. In the last part of the study, complex viscosity of a linear viscoelastic fluid mathematically related to spectrum of UDV for a pipe flow with small-amplitude oscillating pressure field. Generalized Maxwell model was employed to express complex viscosity terms. Zero frequency (mean flow) component of UDV spectrum was used to obtain an equation for relaxation viscosities of generalized Maxwell model. Results have revealed that UDV technique can also be used to probe some of viscoelastic material functions. In conclusion, UDV is relatively new but a promising technique for the measurement and analysis of complex flows in a non-invasive manner.

With the goal to continue interplanetary exploration and search for past or existent life on Mars, software and hardware for unmanned subsurface drills are being developed. Unlike drilling on Earth, interplanetary exploration drills operate with very low available power and require on-board integrated health monitoring systems, with quick-response recovery procedures, under complete autonomous operations. As many drilling faults are not known a priori, Earth-based direction and control of an unmanned interplanetary drilling operation is not practical. Such missions also require advanced robotic systems that are more susceptible to structural and mechanical failures, which motivates a need for structural health monitoring techniques relevant to interplanetary exploration systems. Structural health monitoring (SHM) is a process of detecting damage or other types of defects in structural and mechanical systems that have the potential to adversely affect the current or future performance of these systems. Strict requirements for interplanetary drilling missions create unique research problems and challenges compared with SHM procedures and techniques developed to date. These challenges include implementing sensors and devices that do not interfere with the drilling operation, producing "real-time" diagnostics of the drilling condition, and developing an automation procedure for complete autonomous operations. Thus, the completed thesis work presents basic research leading to the dynamic analysis of rotating structures with specific application to interplanetary subsurface drill systems, and the formulation of an autonomous, real-time, dynamics-based SHM technique for drilling applications. This includes modeling and validating the structural dynamic system, with and without damage or faults, for a prototype interplanetary subsurface drill, exploring the use of Laser Doppler Velocimeter sensors for use in real-time SHM, developing signal filters to remove inherent harmonic components from the dynamic signal of rotating structures, developing an automation procedure with the associated software, and validating the SHM system through laboratory experiments and field tests. The automated dynamics-based structural health monitoring technique developed in this thesis presents advanced research accomplishments leading to real-time, autonomous SHM, and it has been validated on an operating dynamic system in laboratory and field tests. The formulated SHM and drilling operation also met or exceeded all specified requirements. Other major contributions of this thesis work include the formulation and demonstration of real-time, autonomous SHM in rotating structures using Laser Doppler Velocimeter sensors.

Os mecanismos de transposição de peixes (MTP) são estruturas ou sistemas que possibilitam a migração da ictiofauna entre as partes de jusante/montante/jusante de uma barragem. As escadas para peixes representam um dos tipos de MTP mais conhecidos no mundo e apresentam diversas configurações geométricas. A escolha do tipo de escada deve atender às características natatórias dos peixes selecionados para transporem o obstáculo. Para algumas espécies, como o salmão, já se conhecem geometrias adequadas, entretanto, para a maioria das espécies isto não ocorre e muitos projetos têm demonstrado desempenho insatisfatório. No Brasil, encontra-se uma imensa diversidade de espécies de peixes, cujas características natatórias diferem em muito das apresentadas pelos salmonídeos. Este fato, associado à crescente exigência da implantação de MTP nos barramentos, através de leis estaduais ambientais, torna necessária a definição de estruturas adequadas à ictiofauna brasileira. A validação dos critérios de projeto passa, obrigatoriamente, por estudos que avaliem as características hidráulicas das estruturas propostas e a interação do fluxo com os padrões natatórios da ictiofauna. O número de pesquisas relacionadas ao funcionamento hidráulico de escadas para peixes vem crescendo, entretanto ainda são insuficientes, não existindo um consenso sobre os critérios, seja para sua caracterização completa, seja para definir sobre quais parâmetros devem ser considerados. Os padrões de turbulência do escoamento em escadas para peixes, cujas características supõem-se relacionarem-se com o grau de aceitação ou rejeição das espécies, são praticamente desconhecidos. Neste trabalho realizou-se a caracterização hidráulica através do estudo experimental, de três tipos de escadas para peixes: (1) com ranhura vertical; (2) com descarregador de superfície e (3) com orifício de fundo. As estruturas foram construídas nos laboratórios do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – IPH/UFRGS e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil – LNEC – Portugal. As seguintes medições foram realizadas: velocidades em três direções, em diferentes planos dos tanques, com velocímetros acústicos Doppler (ADV) e níveis de água da superfície livre com pontas linimétricas e réguas graduadas. Para a estrutura com ranhura vertical ainda foram medidas as pressões médias e suas flutuações, junto ao fundo do canal, com transdutores piezoresistivos. Para cada uma das estruturas realizaram-se ensaios com três descargas. Além de definidas as características médias do escoamento, os dados de velocidades, que passaram por um processo de aplicação de filtros sem substituição, possibilitaram a avaliação de parâmetros de turbulência, entre eles a energia cinética da turbulência, a intensidade da turbulência e as tensões de Reynolds. No modelo da escada para peixes com ranhuras verticais verificou-se que os parâmetros hidráulicos estão de acordo com estruturas similares da bibliografia, entre eles, coeficiente de descarga, vazão adimensional e coeficiente de cisalhamento. Os campos de pressão junto ao fundo refletem o comportamento da superfície livre do escoamento. Através do mapeamento das velocidades dentro do tanque da escada do tipo ranhura vertical, foi possível caracterizar as duas zonas de recirculação e a região do jato principal. Os máximos valores médios de velocidade encontram-se na seção da ranhura, não excedendo 1,00 m/s (no modelo). Além disso, foi possível reconhecer as regiões de maior energia cinética da turbulência que apresentaram valores de até 1000 cm2/s2 na região do jato principal, as quais coincidem com as zonas de maiores tensões de Reynolds da ordem de até 30 N/m2. A partir das velocidades médias e em função das velocidades de nado dos peixes obtidos na literatura, foi possível a identificação de locais que atuam como “barreiras” ao deslocamento de determinada espécie. A avaliação qualitativa do comportamento da trajetória dos peixes dentro dos tanques mostrou-se de acordo com a definição destas “barreiras” hidráulicas e com a avaliação do comportamento dos campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. No modelo da escada do tipo descarregador de superfície observaram-se as máximas velocidades médias sobre o descarregador, com valores de até 1,73 m/s. Verifica-se que na maior parte do tanque as velocidades médias não ultrapassam 40% da velocidade potencial. Foram encontrados valores de energia cinética da turbulência até 2000 cm2/s2, com valores na maior parte do tanque em torno de 200 cm2/s2. Quanto aos campos de tensões de Reynolds, têm-se, na maior parte do tanque, os valores entre −5 e 5 N/m2, sendo que na região do jato mergulhante, os valores chegam até 30 N/m2. Na escada com orifícios de fundo verificaram-se as maiores velocidades médias nos planos sob influência do fluxo principal proveniente do orifício. Não foi possível a medição da velocidade na seção da abertura, sendo que os valores medidos no tanque não ultrapassaram 50% da velocidade potencial. Os máximos valores de energia cinética da turbulência atingem até 2000 cm2/s2 junto ao fundo, enquanto na região central do tanque, o valor médio é um pouco inferior a 200 cm2/s2. Os valores de tensão de Reynolds encontram-se entre −30 e 30 N/m2, com a maioria das regiões entre −5 e 5 N/m2. Os valores máximos e médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds para os modelos com descarregador de superfície e com orifício de fundo encontram-se na mesma faixa. Isto indica que, sob o ponto de vista técnico, possivelmente o critério de escolha entre essas duas estruturas recai nas características da ictiofauna. A passagem com ranhura vertical permite a escolha da profundidade preferencial de nado. No entanto, nessa estrutura, verificase que as componentes médias e turbulentas, nas regiões de descanso, comparando-as com os valores máximos do jato principal, são superiores proporcionalmente, às observadas nas zonas de recirculação das outras duas estruturas. As informações biológicas disponíveis na literatura não permitem a definição de condições preferenciais em relação aos parâmetros de turbulência entre as estruturas aqui avaliadas. No entanto, as informações obtidas nesse trabalho indicam que a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds podem ser indicativos da tolerância ou preferência dos peixes até certos níveis de turbulência. / Fish facilities are structures or systems that enable fish passage through dams or obstructions. Fishways represent one of the most common fish facilities types worldwide, presenting different geometries and designs. The choice and design of these structures must attend the fish swimming performance and biological characteristics. For some species, as salmon, there are defined designs that can be successfully applied, however, that does not occur for the majority of the species and many projects have showed unsatisfactory efficiency. In Brazil, there is an immense diversity of fish species, whose swimming characteristics are strongly different than the other known species like the salmons. This fact, associated with the increasing requirement of fish facilities implantation in dams, mainly through environmental State Laws, requires the definition of structures adapted to the Brazilian fish. The design criteria validation needs, necessarily, studies to evaluate hydraulic characteristics on structure proposals and the interaction of the flow with swimming abilities. The number of researches related to the hydraulic functioning of fishways is increasing, however they are still insufficient and there is not a consensus on the criteria, either for its complete characterization, either to define which parameters should be considered. The flow turbulence patterns in fishways, whose characteristics are assumed to be related with the degree of acceptance or rejection of the species, are practically unknown. In this study a hydraulic characterization was carried out through an experimental study, including three kinds of fishways: (1) with vertical slots; (2) with rectangular notches and (3) with bottom orifices. The facilities were set up in the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS) and in the National Laboratory of Civil Engineering – LNEC - Portugal. The following measurements were carried out: three-direction velocities, in a 3D-mesh in one pool of each structure, with Acoustic Doppler Velocimeters and water level of the free surface with a point gauge and scales. In the vertical slot fishway it was carried out complementary measurements of pressure in the bottom of the channel, with transducers. For each structure three discharges were tested. Besides defining the mean flow characteristics, the velocity time data, filtered (through a digital process) without substitution, allowed to analyze some turbulence parameters, as turbulence kinetic energy, turbulence intensity and Reynolds’ shear stresses. In the vertical slot fishway model it was verified that the hydraulic parameters are in agreement with similar structures of the literature, among them, discharge coefficient, adimensional discharge and friction factor. The bottom pressure field agrees with the behavior of the free-surface flow. Two recirculation zones and the area of the main jet were characterized through the velocities distribution inside the vertical slot fishway pool. The maximum mean velocity values were found in the slot section, not exceeding 1.00 m/s (in the model). Moreover, it was possible to recognize the areas with larger turbulence kinetic energy that presented values of up to 1000 cm²/s² in the main jet area, which correspond to the largest Reynolds’ shear stresses values of up to 30 N/m². Considering mean velocities data and fish swimming capabilities, it was possible to identify regions that are insurmountable by the fish. The qualitative approach of the fish trajectory inside the structure agrees with the insurmountable regions described through mean velocities and with the distribution of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses. In the fishway model with rectangular notches, the maximum mean velocities were observed on the weir, with values of up to 1.73 m/s. In the major part of the pool, mean velocities do not surpass 40% of the potential velocity. Values up to 2000 cm²/s² for turbulence kinetic energy were found, with values in the major part of the pool close to 200 cm²/s². For Reynolds’ stresses, the major part of the structure works with values in the range of −5 and 5 N/m², and in the jet entrance pool region the values are of up to 30 N/m². In the fishway with bottom orifices the largest mean velocities were verified in the plans under influence of the main flow connecting consecutive orifices. The measurement of the velocities in the orifice section was not possible and the values measured in the pool did not exceed 50% of the potential velocity. The maximum values of turbulence kinetic energy reached up to 2000 cm²/s² close to the bottom channel, while in the central area of the pool, the mean value is lower than 200 cm2/s2. The values of Reynolds’ shear stresses are between −30 and 30 N/m2, with the major part between−5 and 5 N/m2. The maximum and mean values of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses in the models with rectangular notches and with orifice are in the same range. It indicates that the choice between these two structures relapses in the fish swimming characteristics. The passage with vertical slot allows the choice of the swimming depth preference. However, in the resting areas of this structure, it is verified that the mean and turbulent components when compared with the maximum values of the main jet, are higher proportionally, to the ones observed in the recirculation zones of the other two structures. The biological information available in the literature does not allow the definition of preferential conditions in relation to the turbulence parameters among the structures here appraised. However, the information obtained in this work indicates that the turbulence kinetic energy and Reynolds’ shear stress can be indicatives of the tolerance or preference of the fish to certain turbulence levels.

Os mecanismos de transposição de peixes (MTP) são estruturas ou sistemas que possibilitam a migração da ictiofauna entre as partes de jusante/montante/jusante de uma barragem. As escadas para peixes representam um dos tipos de MTP mais conhecidos no mundo e apresentam diversas configurações geométricas. A escolha do tipo de escada deve atender às características natatórias dos peixes selecionados para transporem o obstáculo. Para algumas espécies, como o salmão, já se conhecem geometrias adequadas, entretanto, para a maioria das espécies isto não ocorre e muitos projetos têm demonstrado desempenho insatisfatório. No Brasil, encontra-se uma imensa diversidade de espécies de peixes, cujas características natatórias diferem em muito das apresentadas pelos salmonídeos. Este fato, associado à crescente exigência da implantação de MTP nos barramentos, através de leis estaduais ambientais, torna necessária a definição de estruturas adequadas à ictiofauna brasileira. A validação dos critérios de projeto passa, obrigatoriamente, por estudos que avaliem as características hidráulicas das estruturas propostas e a interação do fluxo com os padrões natatórios da ictiofauna. O número de pesquisas relacionadas ao funcionamento hidráulico de escadas para peixes vem crescendo, entretanto ainda são insuficientes, não existindo um consenso sobre os critérios, seja para sua caracterização completa, seja para definir sobre quais parâmetros devem ser considerados. Os padrões de turbulência do escoamento em escadas para peixes, cujas características supõem-se relacionarem-se com o grau de aceitação ou rejeição das espécies, são praticamente desconhecidos. Neste trabalho realizou-se a caracterização hidráulica através do estudo experimental, de três tipos de escadas para peixes: (1) com ranhura vertical; (2) com descarregador de superfície e (3) com orifício de fundo. As estruturas foram construídas nos laboratórios do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – IPH/UFRGS e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil – LNEC – Portugal. As seguintes medições foram realizadas: velocidades em três direções, em diferentes planos dos tanques, com velocímetros acústicos Doppler (ADV) e níveis de água da superfície livre com pontas linimétricas e réguas graduadas. Para a estrutura com ranhura vertical ainda foram medidas as pressões médias e suas flutuações, junto ao fundo do canal, com transdutores piezoresistivos. Para cada uma das estruturas realizaram-se ensaios com três descargas. Além de definidas as características médias do escoamento, os dados de velocidades, que passaram por um processo de aplicação de filtros sem substituição, possibilitaram a avaliação de parâmetros de turbulência, entre eles a energia cinética da turbulência, a intensidade da turbulência e as tensões de Reynolds. No modelo da escada para peixes com ranhuras verticais verificou-se que os parâmetros hidráulicos estão de acordo com estruturas similares da bibliografia, entre eles, coeficiente de descarga, vazão adimensional e coeficiente de cisalhamento. Os campos de pressão junto ao fundo refletem o comportamento da superfície livre do escoamento. Através do mapeamento das velocidades dentro do tanque da escada do tipo ranhura vertical, foi possível caracterizar as duas zonas de recirculação e a região do jato principal. Os máximos valores médios de velocidade encontram-se na seção da ranhura, não excedendo 1,00 m/s (no modelo). Além disso, foi possível reconhecer as regiões de maior energia cinética da turbulência que apresentaram valores de até 1000 cm2/s2 na região do jato principal, as quais coincidem com as zonas de maiores tensões de Reynolds da ordem de até 30 N/m2. A partir das velocidades médias e em função das velocidades de nado dos peixes obtidos na literatura, foi possível a identificação de locais que atuam como “barreiras” ao deslocamento de determinada espécie. A avaliação qualitativa do comportamento da trajetória dos peixes dentro dos tanques mostrou-se de acordo com a definição destas “barreiras” hidráulicas e com a avaliação do comportamento dos campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. No modelo da escada do tipo descarregador de superfície observaram-se as máximas velocidades médias sobre o descarregador, com valores de até 1,73 m/s. Verifica-se que na maior parte do tanque as velocidades médias não ultrapassam 40% da velocidade potencial. Foram encontrados valores de energia cinética da turbulência até 2000 cm2/s2, com valores na maior parte do tanque em torno de 200 cm2/s2. Quanto aos campos de tensões de Reynolds, têm-se, na maior parte do tanque, os valores entre −5 e 5 N/m2, sendo que na região do jato mergulhante, os valores chegam até 30 N/m2. Na escada com orifícios de fundo verificaram-se as maiores velocidades médias nos planos sob influência do fluxo principal proveniente do orifício. Não foi possível a medição da velocidade na seção da abertura, sendo que os valores medidos no tanque não ultrapassaram 50% da velocidade potencial. Os máximos valores de energia cinética da turbulência atingem até 2000 cm2/s2 junto ao fundo, enquanto na região central do tanque, o valor médio é um pouco inferior a 200 cm2/s2. Os valores de tensão de Reynolds encontram-se entre −30 e 30 N/m2, com a maioria das regiões entre −5 e 5 N/m2. Os valores máximos e médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds para os modelos com descarregador de superfície e com orifício de fundo encontram-se na mesma faixa. Isto indica que, sob o ponto de vista técnico, possivelmente o critério de escolha entre essas duas estruturas recai nas características da ictiofauna. A passagem com ranhura vertical permite a escolha da profundidade preferencial de nado. No entanto, nessa estrutura, verificase que as componentes médias e turbulentas, nas regiões de descanso, comparando-as com os valores máximos do jato principal, são superiores proporcionalmente, às observadas nas zonas de recirculação das outras duas estruturas. As informações biológicas disponíveis na literatura não permitem a definição de condições preferenciais em relação aos parâmetros de turbulência entre as estruturas aqui avaliadas. No entanto, as informações obtidas nesse trabalho indicam que a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds podem ser indicativos da tolerância ou preferência dos peixes até certos níveis de turbulência. / Fish facilities are structures or systems that enable fish passage through dams or obstructions. Fishways represent one of the most common fish facilities types worldwide, presenting different geometries and designs. The choice and design of these structures must attend the fish swimming performance and biological characteristics. For some species, as salmon, there are defined designs that can be successfully applied, however, that does not occur for the majority of the species and many projects have showed unsatisfactory efficiency. In Brazil, there is an immense diversity of fish species, whose swimming characteristics are strongly different than the other known species like the salmons. This fact, associated with the increasing requirement of fish facilities implantation in dams, mainly through environmental State Laws, requires the definition of structures adapted to the Brazilian fish. The design criteria validation needs, necessarily, studies to evaluate hydraulic characteristics on structure proposals and the interaction of the flow with swimming abilities. The number of researches related to the hydraulic functioning of fishways is increasing, however they are still insufficient and there is not a consensus on the criteria, either for its complete characterization, either to define which parameters should be considered. The flow turbulence patterns in fishways, whose characteristics are assumed to be related with the degree of acceptance or rejection of the species, are practically unknown. In this study a hydraulic characterization was carried out through an experimental study, including three kinds of fishways: (1) with vertical slots; (2) with rectangular notches and (3) with bottom orifices. The facilities were set up in the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS) and in the National Laboratory of Civil Engineering – LNEC - Portugal. The following measurements were carried out: three-direction velocities, in a 3D-mesh in one pool of each structure, with Acoustic Doppler Velocimeters and water level of the free surface with a point gauge and scales. In the vertical slot fishway it was carried out complementary measurements of pressure in the bottom of the channel, with transducers. For each structure three discharges were tested. Besides defining the mean flow characteristics, the velocity time data, filtered (through a digital process) without substitution, allowed to analyze some turbulence parameters, as turbulence kinetic energy, turbulence intensity and Reynolds’ shear stresses. In the vertical slot fishway model it was verified that the hydraulic parameters are in agreement with similar structures of the literature, among them, discharge coefficient, adimensional discharge and friction factor. The bottom pressure field agrees with the behavior of the free-surface flow. Two recirculation zones and the area of the main jet were characterized through the velocities distribution inside the vertical slot fishway pool. The maximum mean velocity values were found in the slot section, not exceeding 1.00 m/s (in the model). Moreover, it was possible to recognize the areas with larger turbulence kinetic energy that presented values of up to 1000 cm²/s² in the main jet area, which correspond to the largest Reynolds’ shear stresses values of up to 30 N/m². Considering mean velocities data and fish swimming capabilities, it was possible to identify regions that are insurmountable by the fish. The qualitative approach of the fish trajectory inside the structure agrees with the insurmountable regions described through mean velocities and with the distribution of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses. In the fishway model with rectangular notches, the maximum mean velocities were observed on the weir, with values of up to 1.73 m/s. In the major part of the pool, mean velocities do not surpass 40% of the potential velocity. Values up to 2000 cm²/s² for turbulence kinetic energy were found, with values in the major part of the pool close to 200 cm²/s². For Reynolds’ stresses, the major part of the structure works with values in the range of −5 and 5 N/m², and in the jet entrance pool region the values are of up to 30 N/m². In the fishway with bottom orifices the largest mean velocities were verified in the plans under influence of the main flow connecting consecutive orifices. The measurement of the velocities in the orifice section was not possible and the values measured in the pool did not exceed 50% of the potential velocity. The maximum values of turbulence kinetic energy reached up to 2000 cm²/s² close to the bottom channel, while in the central area of the pool, the mean value is lower than 200 cm2/s2. The values of Reynolds’ shear stresses are between −30 and 30 N/m2, with the major part between−5 and 5 N/m2. The maximum and mean values of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses in the models with rectangular notches and with orifice are in the same range. It indicates that the choice between these two structures relapses in the fish swimming characteristics. The passage with vertical slot allows the choice of the swimming depth preference. However, in the resting areas of this structure, it is verified that the mean and turbulent components when compared with the maximum values of the main jet, are higher proportionally, to the ones observed in the recirculation zones of the other two structures. The biological information available in the literature does not allow the definition of preferential conditions in relation to the turbulence parameters among the structures here appraised. However, the information obtained in this work indicates that the turbulence kinetic energy and Reynolds’ shear stress can be indicatives of the tolerance or preference of the fish to certain turbulence levels.

Os mecanismos de transposição de peixes (MTP) são estruturas ou sistemas que possibilitam a migração da ictiofauna entre as partes de jusante/montante/jusante de uma barragem. As escadas para peixes representam um dos tipos de MTP mais conhecidos no mundo e apresentam diversas configurações geométricas. A escolha do tipo de escada deve atender às características natatórias dos peixes selecionados para transporem o obstáculo. Para algumas espécies, como o salmão, já se conhecem geometrias adequadas, entretanto, para a maioria das espécies isto não ocorre e muitos projetos têm demonstrado desempenho insatisfatório. No Brasil, encontra-se uma imensa diversidade de espécies de peixes, cujas características natatórias diferem em muito das apresentadas pelos salmonídeos. Este fato, associado à crescente exigência da implantação de MTP nos barramentos, através de leis estaduais ambientais, torna necessária a definição de estruturas adequadas à ictiofauna brasileira. A validação dos critérios de projeto passa, obrigatoriamente, por estudos que avaliem as características hidráulicas das estruturas propostas e a interação do fluxo com os padrões natatórios da ictiofauna. O número de pesquisas relacionadas ao funcionamento hidráulico de escadas para peixes vem crescendo, entretanto ainda são insuficientes, não existindo um consenso sobre os critérios, seja para sua caracterização completa, seja para definir sobre quais parâmetros devem ser considerados. Os padrões de turbulência do escoamento em escadas para peixes, cujas características supõem-se relacionarem-se com o grau de aceitação ou rejeição das espécies, são praticamente desconhecidos. Neste trabalho realizou-se a caracterização hidráulica através do estudo experimental, de três tipos de escadas para peixes: (1) com ranhura vertical; (2) com descarregador de superfície e (3) com orifício de fundo. As estruturas foram construídas nos laboratórios do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – IPH/UFRGS e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil – LNEC – Portugal. As seguintes medições foram realizadas: velocidades em três direções, em diferentes planos dos tanques, com velocímetros acústicos Doppler (ADV) e níveis de água da superfície livre com pontas linimétricas e réguas graduadas. Para a estrutura com ranhura vertical ainda foram medidas as pressões médias e suas flutuações, junto ao fundo do canal, com transdutores piezoresistivos. Para cada uma das estruturas realizaram-se ensaios com três descargas. Além de definidas as características médias do escoamento, os dados de velocidades, que passaram por um processo de aplicação de filtros sem substituição, possibilitaram a avaliação de parâmetros de turbulência, entre eles a energia cinética da turbulência, a intensidade da turbulência e as tensões de Reynolds. No modelo da escada para peixes com ranhuras verticais verificou-se que os parâmetros hidráulicos estão de acordo com estruturas similares da bibliografia, entre eles, coeficiente de descarga, vazão adimensional e coeficiente de cisalhamento. Os campos de pressão junto ao fundo refletem o comportamento da superfície livre do escoamento. Através do mapeamento das velocidades dentro do tanque da escada do tipo ranhura vertical, foi possível caracterizar as duas zonas de recirculação e a região do jato principal. Os máximos valores médios de velocidade encontram-se na seção da ranhura, não excedendo 1,00 m/s (no modelo). Além disso, foi possível reconhecer as regiões de maior energia cinética da turbulência que apresentaram valores de até 1000 cm2/s2 na região do jato principal, as quais coincidem com as zonas de maiores tensões de Reynolds da ordem de até 30 N/m2. A partir das velocidades médias e em função das velocidades de nado dos peixes obtidos na literatura, foi possível a identificação de locais que atuam como “barreiras” ao deslocamento de determinada espécie. A avaliação qualitativa do comportamento da trajetória dos peixes dentro dos tanques mostrou-se de acordo com a definição destas “barreiras” hidráulicas e com a avaliação do comportamento dos campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. No modelo da escada do tipo descarregador de superfície observaram-se as máximas velocidades médias sobre o descarregador, com valores de até 1,73 m/s. Verifica-se que na maior parte do tanque as velocidades médias não ultrapassam 40% da velocidade potencial. Foram encontrados valores de energia cinética da turbulência até 2000 cm2/s2, com valores na maior parte do tanque em torno de 200 cm2/s2. Quanto aos campos de tensões de Reynolds, têm-se, na maior parte do tanque, os valores entre −5 e 5 N/m2, sendo que na região do jato mergulhante, os valores chegam até 30 N/m2. Na escada com orifícios de fundo verificaram-se as maiores velocidades médias nos planos sob influência do fluxo principal proveniente do orifício. Não foi possível a medição da velocidade na seção da abertura, sendo que os valores medidos no tanque não ultrapassaram 50% da velocidade potencial. Os máximos valores de energia cinética da turbulência atingem até 2000 cm2/s2 junto ao fundo, enquanto na região central do tanque, o valor médio é um pouco inferior a 200 cm2/s2. Os valores de tensão de Reynolds encontram-se entre −30 e 30 N/m2, com a maioria das regiões entre −5 e 5 N/m2. Os valores máximos e médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds para os modelos com descarregador de superfície e com orifício de fundo encontram-se na mesma faixa. Isto indica que, sob o ponto de vista técnico, possivelmente o critério de escolha entre essas duas estruturas recai nas características da ictiofauna. A passagem com ranhura vertical permite a escolha da profundidade preferencial de nado. No entanto, nessa estrutura, verificase que as componentes médias e turbulentas, nas regiões de descanso, comparando-as com os valores máximos do jato principal, são superiores proporcionalmente, às observadas nas zonas de recirculação das outras duas estruturas. As informações biológicas disponíveis na literatura não permitem a definição de condições preferenciais em relação aos parâmetros de turbulência entre as estruturas aqui avaliadas. No entanto, as informações obtidas nesse trabalho indicam que a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds podem ser indicativos da tolerância ou preferência dos peixes até certos níveis de turbulência. / Fish facilities are structures or systems that enable fish passage through dams or obstructions. Fishways represent one of the most common fish facilities types worldwide, presenting different geometries and designs. The choice and design of these structures must attend the fish swimming performance and biological characteristics. For some species, as salmon, there are defined designs that can be successfully applied, however, that does not occur for the majority of the species and many projects have showed unsatisfactory efficiency. In Brazil, there is an immense diversity of fish species, whose swimming characteristics are strongly different than the other known species like the salmons. This fact, associated with the increasing requirement of fish facilities implantation in dams, mainly through environmental State Laws, requires the definition of structures adapted to the Brazilian fish. The design criteria validation needs, necessarily, studies to evaluate hydraulic characteristics on structure proposals and the interaction of the flow with swimming abilities. The number of researches related to the hydraulic functioning of fishways is increasing, however they are still insufficient and there is not a consensus on the criteria, either for its complete characterization, either to define which parameters should be considered. The flow turbulence patterns in fishways, whose characteristics are assumed to be related with the degree of acceptance or rejection of the species, are practically unknown. In this study a hydraulic characterization was carried out through an experimental study, including three kinds of fishways: (1) with vertical slots; (2) with rectangular notches and (3) with bottom orifices. The facilities were set up in the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS) and in the National Laboratory of Civil Engineering – LNEC - Portugal. The following measurements were carried out: three-direction velocities, in a 3D-mesh in one pool of each structure, with Acoustic Doppler Velocimeters and water level of the free surface with a point gauge and scales. In the vertical slot fishway it was carried out complementary measurements of pressure in the bottom of the channel, with transducers. For each structure three discharges were tested. Besides defining the mean flow characteristics, the velocity time data, filtered (through a digital process) without substitution, allowed to analyze some turbulence parameters, as turbulence kinetic energy, turbulence intensity and Reynolds’ shear stresses. In the vertical slot fishway model it was verified that the hydraulic parameters are in agreement with similar structures of the literature, among them, discharge coefficient, adimensional discharge and friction factor. The bottom pressure field agrees with the behavior of the free-surface flow. Two recirculation zones and the area of the main jet were characterized through the velocities distribution inside the vertical slot fishway pool. The maximum mean velocity values were found in the slot section, not exceeding 1.00 m/s (in the model). Moreover, it was possible to recognize the areas with larger turbulence kinetic energy that presented values of up to 1000 cm²/s² in the main jet area, which correspond to the largest Reynolds’ shear stresses values of up to 30 N/m². Considering mean velocities data and fish swimming capabilities, it was possible to identify regions that are insurmountable by the fish. The qualitative approach of the fish trajectory inside the structure agrees with the insurmountable regions described through mean velocities and with the distribution of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses. In the fishway model with rectangular notches, the maximum mean velocities were observed on the weir, with values of up to 1.73 m/s. In the major part of the pool, mean velocities do not surpass 40% of the potential velocity. Values up to 2000 cm²/s² for turbulence kinetic energy were found, with values in the major part of the pool close to 200 cm²/s². For Reynolds’ stresses, the major part of the structure works with values in the range of −5 and 5 N/m², and in the jet entrance pool region the values are of up to 30 N/m². In the fishway with bottom orifices the largest mean velocities were verified in the plans under influence of the main flow connecting consecutive orifices. The measurement of the velocities in the orifice section was not possible and the values measured in the pool did not exceed 50% of the potential velocity. The maximum values of turbulence kinetic energy reached up to 2000 cm²/s² close to the bottom channel, while in the central area of the pool, the mean value is lower than 200 cm2/s2. The values of Reynolds’ shear stresses are between −30 and 30 N/m2, with the major part between−5 and 5 N/m2. The maximum and mean values of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses in the models with rectangular notches and with orifice are in the same range. It indicates that the choice between these two structures relapses in the fish swimming characteristics. The passage with vertical slot allows the choice of the swimming depth preference. However, in the resting areas of this structure, it is verified that the mean and turbulent components when compared with the maximum values of the main jet, are higher proportionally, to the ones observed in the recirculation zones of the other two structures. The biological information available in the literature does not allow the definition of preferential conditions in relation to the turbulence parameters among the structures here appraised. However, the information obtained in this work indicates that the turbulence kinetic energy and Reynolds’ shear stress can be indicatives of the tolerance or preference of the fish to certain turbulence levels.

The development of a Doppler Global Veocimetry (DGV) system is described. An argon ion laser has been modified to suit the requirements of DGV. An etalon with high precision tilting control has been mounted in the laser cavity. The backward mirror of the laser cavity has been mounted on a piezotranslator for controlling the laser cavity length. Two iodine cells have been designed and manufactured: one with a bead of iodine in the cell volume, the other with a limited amount of iodine. The iodine absorption line of both cells has been calibrated with good repeatibility. The laser has been stabilized in frequency, so that operations during a measurement session in the lab are simplified. The capabilities of DGV measurements have been tested in two jets, at low and at high speeds. Velocity fluctuations of the jet could be followed, in spite of the highly noisy signals. The first steps towards three velocity component measurements with a single camera in a difficult environment such as the geometry of a turbomchinery cascade have been made. Imaging two views of a target on the same camera sensor is discussed, along with the spatial and luminosity calibration required. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Approved for public release, distribution is unlimited / Resonant excitation tests of rotor blades in vacuum spin pits using discrete oil jets showed that impact erosion of the blades could limit test times, but lower excitation amplitudes were produced using mist nozzles. Smaller diameter discrete jets might extend test times, but to fully prevent erosion, oil mist droplet size needed to be 30 microns or less. The present study examined both approaches. Prototype nozzles were developed to create 0.005 inch diameter multiple discrete jets using first alumina, then stainless steel tubing, laser and micro-machine drilling. The latter technique was selected and 50 were manufactured for evaluation in HCF spin tests. A vacuum test chamber was built to observe and photograph spray patterns from the prototype nozzles and from commercially available mist nozzles. An LDV system was used successfully to determine the velocity of the oil droplets within the mist. A complete mapping of mist nozzle sprays is required to allow routine design of blade excitation systems. / Lieutenant, United States Navy

This thesis focuses on generating real world turbulence levels in a water tunnel rotor test using fractal grids and characterizing the effect of the fractal grid generated-turbulence on the performance of hydrokinetic turbines. The research of this thesis is divided into three studies: one field study and two laboratory studies. The field study was conducted at the Canadian Hydro Kinetic Turbine Test Centre (CHTTC) on the Winnipeg River. An Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used in the field study to collect flow measurements in the river. The laboratory studies were conducted at the University of Victoria (UVic) fluids research lab and the Sustainable Systems Design Lab (SSDL). In addition, the Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used in the experiential studies to obtain quantitative information about the vector flow field along the test section, both upstream and downstream of the rotor’s plane. The first study is a field study aiming to provide real flow characteristics and turbulence properties at different depths from the free-surface to boundary layer region of a fast river current by conducting a field study in the Winnipeg River using ADV. A novel technique to deploy and control an ADV from free-surface to boundary layer in a fast-current channel is introduced in this work. Flow characteristics in the river, including mean flow velocities and turbulence intensity profiles are analyzed. The obtained results indicate that the maximum mean velocity occurs below the free-surface, suggesting that the mean velocity is independent of the channel depth. From the free-surface to half depth, it was found that changes in both the mean velocity and turbulence intensity are gradual. From mid-depth to the river bed, the mean velocity drops rapidly while the turbulence intensity increases at a fast rate. The turbulent intensity varied from 9% at the free-surface to around 17.5% near the river bed. The results of this study were used in the second lab study to help designing a fractal grid for a recirculating water flume tank. The goal was to modify the turbulence intensity in the water tunnel such that the generated turbulence was similar to that in the river at a location typical of a hydrokinetic device. The properties of fractal-generated turbulence were experimentally investigated by means of 2D Particle Image Velocimetry (PIV). The streamwise turbulent intensity profiles for different grids along the channel are presented. Additionally, visualization of the average and fluctuating flow fields are also presented. The results are in good agreement with results in literature. The third and final study investigated the power coefficient of a scale hydrokinetic turbine rotor in controlled turbulent flow (7.4 % TI), as well as in the low-turbulence smooth flow (0.5% TI) typical of lab scale testing. PIV was employed for capturing the velocity field. The results show that using realistic TI levels in the water tunnel significantly decrease the turbine’s power coefficient compared to smooth flow, highlighting the importance of considering this effect in future experimental campaigns. / Graduate